JP4696289B2 - Thermocouple temperature sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、熱電対式温度センサ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thermocouple temperature sensor and a manufacturing method thereof.
従来より、固体や流体の温度計測手段として熱電対式温度センサが用いられている。熱電対式温度センサは、閉回路を形成する二つの接点間の温度差に応じた熱起電力を利用するものであって、閉回路を形成する素線や導体パターンには、一般的に金属製材料が用いられていた。
金属製材料を用いた従来の技術としては、例えば(特許文献1)に「電気絶縁材料からなるベース上に、第一の金属によりパターン形成された線状被膜と、前記第一の金属と異なる第二の金属によってパターン形成された線状被膜と、を備えた熱電対式温度センサ」が開示されている。
(特許文献2)には、「クロメルやアルメル等の金属素線が表面側に配置された温度センサ付きウエハ」が開示されている。
(特許文献3)には、「エッチングで形成された銅等の金属製の線状導体パターンが形成された樹脂フィルムと、エッチングで形成されたニッケル等の金属製の線状導体パターンが形成された樹脂フィルムとを交互に積層、加熱プレスして線状導体パターンが接続されたカップリング部を有する温度センサ」が開示されている。
また、金属製以外の材料で熱電対を形成する技術として、(特許文献4)に「基板上に、ケイ化鉄製の半導体セラミックスと、基板との密着性を高めるための5重量%程度のガラス成分と、を含有した熱電対層が積層された温度センサ素子」が開示されている。
As a conventional technique using a metal material, for example, (Patent Document 1) states that “a linear film patterned with a first metal on a base made of an electrically insulating material is different from the first metal. A thermocouple temperature sensor including a linear film patterned with a second metal is disclosed.
(Patent Document 2) discloses “a wafer with a temperature sensor in which metal wires such as chromel and alumel are arranged on the surface side”.
(Patent Document 3) states that “a resin film having a metal linear conductor pattern such as copper formed by etching and a metal linear conductor pattern such as nickel formed by etching are formed. A temperature sensor having a coupling portion in which linear conductor patterns are connected by alternately laminating and heat-pressing a resin film is disclosed.
In addition, as a technique for forming a thermocouple using a material other than metal, (Patent Document 4) states that “on a substrate, a semiconductor ceramic made of iron silicide and a glass of about 5% by weight for improving the adhesion between the substrate and the substrate. And a temperature sensor element in which a thermocouple layer containing the component is laminated.
しかしながら上記従来の技術においては、以下のような課題を有していた。
(1)(特許文献1)乃至(特許文献3)に開示の技術は、熱電対としていずれも金属製の素線や導体パターンを用いているので、耐食性や耐薬品性に欠けるという課題を有していた。金属製であってもクロメル/アルメルや白金/白金ロジウム等の耐食性や耐薬品性に優れた材質もあるが、コスト性に欠けるという課題を有していた。
(2)金属製材料で形成された熱電対は耐酸化性が乏しいため、排ガス中等の条件下で用いる場合には、シース型熱電対のように金属製保護管で被覆して保護しなければ用いることができず、嵩張り、小型化が困難であるという課題を有していた。
(3)二種類の金属製の素線や導体パターンで形成された閉回路に生ずる熱起電力は、例えば材質が白金/白金ロジウムの場合は6.5μV/K、JISで規定された熱電対のなかで最も熱起電力が大きなクロメル/コンスタンタンの場合でも63μV/Kであるため、極僅かな温度変化を検知するには感度が低く、精密な温度検知が困難であるという課題を有していた。
(4)(特許文献4)に開示の技術は熱電対層を得るために、基板上にケイ化鉄を含有する熱電対パターン層を積層した後、真空中1100〜1180℃で3時間程度焼成して焼結させ、次いでアルゴン雰囲気中700〜850℃で12時間程度焼成し半導体化させる操作が必要なため、煩雑で生産性に欠けるという課題を有していた。
(5)ケイ化鉄等の結晶化された半導体材料や金属製材料で形成された二種類の導電体を接合して熱電対を作る場合、微細な導電体を接合するのは困難なので比較的幅広の導電体を用いる必要があり、接合部は幅広になっていた。接合部の大きさよりも小さな対象領域の温度を計測すると誤差が含まれるので、微細な対象領域の温度を精度良く計測できないという課題を有していた。また、形成した接合部を微細化するため、接合部を集束イオンビーム(FIB)加工やレーザー加工等を用いて加工すると、結晶化された半導体材料や金属製材料にイオン照射等のダメージによって劈開等が生じ接合部が劣化し断線し易くなるため、接合部を微細加工できないという課題を有していた。
However, the above conventional techniques have the following problems.
(1) The techniques disclosed in (Patent Document 1) to (Patent Document 3) have the problem of lacking in corrosion resistance and chemical resistance because metal wires and conductor patterns are used as thermocouples. Was. Even though they are made of metal, there are materials having excellent corrosion resistance and chemical resistance, such as chromel / alumel and platinum / platinum rhodium, but they have a problem of lack of cost.
(2) Since thermocouples made of metallic materials have poor oxidation resistance, when used under conditions such as in exhaust gas, they must be protected by covering them with a metal protective tube like a sheathed thermocouple. It cannot be used, and has a problem that it is bulky and difficult to downsize.
(3) The thermoelectromotive force generated in the closed circuit formed of two types of metal wires and conductor patterns is, for example, 6.5 μV / K when the material is platinum / platinum rhodium, and the thermocouple specified by JIS. Among them, even in the case of chromel / constantan having the largest thermoelectromotive force, it is 63 μV / K, so that it has a problem that sensitivity is low for detecting a slight temperature change, and precise temperature detection is difficult. It was.
(4) In order to obtain a thermocouple layer, the technique disclosed in (Patent Document 4) is obtained by laminating a thermocouple pattern layer containing iron silicide on a substrate and then firing in a vacuum at 1100 to 1180 ° C. for about 3 hours. Then, since it is necessary to perform an operation of sintering in an argon atmosphere at 700 to 850 ° C. for about 12 hours to make a semiconductor, there is a problem that it is complicated and lacks productivity.
(5) When two types of conductors made of crystallized semiconductor material such as iron silicide or metal material are joined to make a thermocouple, it is relatively difficult to join a fine conductor. It was necessary to use a wide conductor, and the joint was wide. When the temperature of the target area smaller than the size of the joint is measured, an error is included, and thus there is a problem that the temperature of the fine target area cannot be accurately measured. In addition, if the joint is processed using focused ion beam (FIB) processing or laser processing in order to reduce the size of the formed joint, the crystallized semiconductor material or metal material is cleaved due to damage such as ion irradiation. Etc. occur, and the joint portion deteriorates and is easily disconnected, and thus there is a problem that the joint portion cannot be finely processed.
本発明は上記従来の課題を解決するもので、耐食性、耐薬品性に優れるとともに、耐酸化性にも優れるため排ガス中でも特性が劣化し難く耐久性に優れ、また結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができるため、長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れ、また微細化が容易なため微細な対象領域の温度を精度良く測定できる熱電対式温度センサを提供することを目的とする。
また、本発明は、結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができるため、長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れ、さらにエッチング、表面変性等の微細加工を施すことによって、微細化や表面変性による電気特性の微調整を行うことができるので、微細で高精度の熱電対式温度センサが得られる熱電対式温度センサの製造方法を提供することを目的とする。
The present invention solves the above-described conventional problems, and is excellent in corrosion resistance and chemical resistance, and also in oxidation resistance, so that the characteristics are not easily deteriorated even in exhaust gas, and it is excellent in durability. Can be manufactured by extremely simple methods such as sputtering, glow discharge, sol-gel method, etc., so there is no need for complicated operations such as heating to semiconductors for a long time and miniaturization. Therefore, an object of the present invention is to provide a thermocouple temperature sensor that can accurately measure the temperature of a fine target region.
Further, the present invention can be manufactured by a very simple method such as melting and quenching of crystalline solid, vapor deposition method, sputtering method, glow discharge method, sol-gel method, etc. It is possible to finely adjust electrical characteristics by miniaturization and surface modification by performing fine processing such as etching and surface modification. It aims at providing the manufacturing method of the thermocouple type temperature sensor from which a type temperature sensor is obtained.
上記従来の課題を解決するために本発明の熱電対式温度センサ及びその製造方法は、以下の構成を有している。
本発明の請求項1に記載の熱電対式温度センサは、第一の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第一導電体と、前記第一導電体と接合され前記第一の電子伝導性酸化物ガラスと組成及び/又は熱処理条件の異なる第二の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第二導電体と、を備え、前記第一の電子伝導性酸化物ガラス及び前記第二の電子伝導性酸化物ガラスがバナジン酸塩ガラスである構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)電子伝導性酸化物ガラスで形成されているので、耐食性、耐薬品性に優れるとともに耐酸化性にも優れており、金属製保護管等を用いなくても排ガス中でも特性が劣化し難く耐久性に優れる。
(2)電子伝導性酸化物ガラスは結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができ、第一導電体と第二導電体を形成する二種類の電子伝導性酸化物ガラスの組成や熱処理温度を異ならせることによって熱電対を形成できるため、1100〜1180℃で焼成後700〜850℃で長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れる。
(3)電子伝導性酸化物ガラスは集束イオンビーム(FIB)加工やレーザー加工等を用いて加工しても劈開等が生じないため、容易に1μm程度やそれ以下の超微細加工をすることができ、微細な対象領域の温度を精度良く測定することができる。
(4)バナジン酸塩ガラスは高い電気伝導度を有しており、さらにガラス化させた後に熱処理を施すことによって、室温において10 -1 S・cm -1 以上の高電気伝導度を発現できるため応答が速く、また熱起電力が大きいため感度が高く高精度の温度検知をすることができる。熱処理を施すことによって、ガラス骨格の歪みを取り除き、電子がホッピングする活性化エネルギー(バンドギャップ)を小さくすることができるとともに、バナジン酸塩ガラス中の電子をエネルギー的に高い準位に分布させ、電子をホッピングさせるために必要な熱エネルギー(活性化エネルギー)を小さくできるので、電気伝導度を高くできるのではないかと推察している。
In order to solve the above-described conventional problems, the thermocouple temperature sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention have the following configurations.
The thermocouple temperature sensor according to
With this configuration, the following effects can be obtained.
(1) Since it is made of electron-conducting oxide glass, it has excellent corrosion resistance and chemical resistance, as well as excellent oxidation resistance, and its characteristics are not easily degraded even in exhaust gas without using a metal protective tube. Excellent durability.
(2) Electron conductive oxide glass can be manufactured by extremely simple methods such as melting and quenching of crystalline solids, vapor deposition, sputtering, glow discharge, sol-gel, etc. Thermocouples can be formed by differentiating the composition and heat treatment temperature of the two types of electron-conducting oxide glasses that form the body. Therefore, after baking at 1100 to 1180 ° C., heating at 700 to 850 ° C. for a long time makes a semiconductor. It is excellent in productivity without requiring complicated operations such as
(3) Since the electron-conductive oxide glass is not cleaved even when processed using focused ion beam (FIB) processing, laser processing, etc., it can be easily processed to ultra fine processing of about 1 μm or less. It is possible to accurately measure the temperature of a fine target area.
(4) Vanadate glass has high electrical conductivity, and can be made to exhibit high electrical conductivity of 10 −1 S · cm −1 or more at room temperature by virtue of heat treatment after vitrification. Since the response is fast and the thermoelectromotive force is large, the temperature can be detected with high sensitivity and high accuracy. By applying heat treatment, it is possible to remove the distortion of the glass skeleton and reduce the activation energy (band gap) at which electrons hop, and also distribute the electrons in the vanadate glass to high energy levels, Since it is possible to reduce the thermal energy (activation energy) necessary for hopping electrons, it is assumed that the electrical conductivity can be increased.
ここで、電子伝導性酸化物ガラスとしては、バナジウム,鉄,マンガン,チタン,タングステン等の遷移金属酸化物を含有する半導性ガラス、CdO,PbO等を含有し光伝導を示す酸化物光伝導ガラスが用いられ、例えば、V2O5−P2O5系,V2O5−P2O5−BaO系,WO2−P2O5系,CdO−B2O3−SiO2系,CdO−Al2O3−GeO2系,PbO−Bi2O3−SiO2系,PbO−Al2O3−GeO2系等の酸化物ガラスを挙げることができる。 Here, as the electron conductive oxide glass, semiconducting glass containing transition metal oxides such as vanadium, iron, manganese, titanium, and tungsten, oxide photoconductivity containing CdO, PbO, etc. and exhibiting photoconductivity. Glass is used, for example, V 2 O 5 —P 2 O 5 system, V 2 O 5 —P 2 O 5 —BaO system, WO 2 —P 2 O 5 system, CdO—B 2 O 3 —SiO 2 system. , CdO—Al 2 O 3 —GeO 2 , PbO—Bi 2 O 3 —SiO 2 , PbO—Al 2 O 3 —GeO 2 and the like.
第一の電子伝導性酸化物ガラス、第二の電子伝導性酸化物ガラスとしては、前記電子伝導性酸化物ガラスの中から成分の異なるガラスを適宜選択して用いることができる。同一の成分で構成されたガラスであっても、その成分の量的関係が異なるガラスであれば、組成の異なるガラスとして用いることができる。
また、成分やその成分の量的関係が異なるガラス、成分及びその成分の量的関係が同一のガラスでも、各々のガラスの熱処理条件を異ならせることによって、熱電対として用いることができる。熱処理条件としては、熱処理温度、熱処理の保持時間等を挙げることができる。
特開2003−34548号公報に記載されているように、同じ組成の電子伝導性酸化物ガラスであっても熱処理を施すことによって、導電率を異ならせることができることが知られている。これは、熱処理によってガラス骨格の歪みを取り除き、二種類の電子伝導性酸化物ガラスの電子がホッピングする活性化エネルギー(バンドギャップ)を異ならせることができるためであると推察している。このため、この二種類の電子伝導性酸化物ガラスを接合することによって、熱電対として用いることができるのではないかと推察している。
As the first electron conductive oxide glass and the second electron conductive oxide glass, glasses having different components can be appropriately selected from the electron conductive oxide glasses. Even glass composed of the same component can be used as glass having a different composition as long as the components have different quantitative relationships.
Further, glass having different components and quantitative relationships between the components, and glasses having the same quantitative relationship between the components and the components can be used as thermocouples by changing the heat treatment conditions of the respective glasses. Examples of the heat treatment conditions include a heat treatment temperature and a heat treatment holding time.
As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-34548, it is known that even an electron conductive oxide glass having the same composition can have different electrical conductivities by performing heat treatment. This is presumed to be due to the fact that the distortion of the glass skeleton is removed by heat treatment, and the activation energy (band gap) at which the electrons of the two types of electron conductive oxide glass hop can be made different. For this reason, it is guessed that it can be used as a thermocouple by joining these two kinds of electron conductive oxide glasses.
電子伝導性酸化物ガラスを製造する手段としては、遷移金属酸化物等の結晶質固体の混合物等を液体や気体に変えたのち、結晶化させないでガラス転移温度以下の固体である電子伝導性酸化物ガラスにできるものであれば特に制限されない。例えば、結晶質固体の混合物を加熱溶融したのち急冷することで電子伝導性酸化物ガラスを得ることができる。また、結晶質固体を、蒸着法,スパッタ法,CVD法,グロー放電法等で一旦、蒸気状態にすることでも電子伝導性酸化物ガラスを得ることができる。また、ゾルゲル法等のようにゲルを経ることによっても電子伝導性酸化物ガラスを得ることができる。 As a means for producing an electron conductive oxide glass, an electron conductive oxide which is a solid having a glass transition temperature or lower without being crystallized after changing a mixture of a crystalline solid such as a transition metal oxide into a liquid or gas. There is no particular limitation as long as the glass can be made. For example, an electron conductive oxide glass can be obtained by heating and melting a mixture of crystalline solids and then rapidly cooling the mixture. Alternatively, the electron conductive oxide glass can be obtained by once changing the crystalline solid to a vapor state by vapor deposition, sputtering, CVD, glow discharge, or the like. Moreover, an electron conductive oxide glass can also be obtained by passing through a gel like the sol-gel method.
第一導電体や第二導電体は、結晶質固体の混合物を加熱溶融した溶融物を、型内や冷却用ドラム等で急冷し電子伝導性酸化物ガラスを線状等に形成することで製造することができ、製造した2種の電子伝導性酸化物ガラスの一部を互いに接触させ、溶着させて接合させることができる。また、溶融物を急冷する前に、2種の電子伝導性酸化物ガラスの溶融物の一部を互いに接触させ、この状態を保ちながら急冷することでも接合させることができる。また、製造した2種の電子伝導性酸化物ガラス同士を、導電性接着剤等を用いて接着することによっても接合させることができる。
また、絶縁性基板上に蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等でガラス層を形成する場合は、2種の電子伝導性酸化物ガラスの一部が互いに接触するように形成して、第一導電体と第二導電体とを接合させることもできる。
また、上記のように第一の電子伝導体酸化物ガラスと第二の電子伝導体酸化物ガラスとを継ぎ合わせて接合しなくても、第一の電子伝導性酸化物ガラスを同一組成で線状や層状等に一体的に形成した後、部分的にイオン照射を行うことによって部分的に組成を異ならせて、第一の電子伝導性酸化物ガラスと第二の電子伝導性酸化物ガラスとを接合させることもできる。
The first conductor and the second conductor are manufactured by rapidly cooling a melt obtained by heating and melting a mixture of crystalline solids in a mold or a cooling drum to form an electron conductive oxide glass into a linear shape or the like. A part of the produced two kinds of electron conductive oxide glasses can be brought into contact with each other and welded to be joined. Moreover, before quenching a melt, it can also join by making a part of melt of two types of electron conductive oxide glasses contact each other, and quenching rapidly, maintaining this state. Moreover, it can be joined also by adhere | attaching 2 types of manufactured electroconductive oxide glasses using a conductive adhesive etc.
In addition, when a glass layer is formed on an insulating substrate by vapor deposition, sputtering, glow discharge, sol-gel method, etc., the two types of electron conductive oxide glasses should be formed so as to be in contact with each other. The first conductor and the second conductor can also be joined.
In addition, the first electron conductive oxide glass and the second electron conductor oxide glass can be bonded to each other with the same composition without joining the first electron conductor oxide glass and the second electron conductor oxide glass. The first electron-conducting oxide glass and the second electron-conducting oxide glass are formed by integrally irradiating with ions and then partially differing in composition. Can also be joined.
形成された第一導電体や第二導電体は、集束イオンビーム加工,イオン注入等のイオン照射により、エッチング、表面変性等の微細加工を施すことができる。これにより、第一導電体や第二導電体の微細化や、表面変性による電気特性の微調整を行うことができ、さらに高精度の熱電対式温度センサを得ることができる。
なお、この熱電対式温度センサは、0℃以下からガラス転移温度までの温度範囲で使用することができる。
The formed first conductor and second conductor can be subjected to fine processing such as etching and surface modification by ion irradiation such as focused ion beam processing and ion implantation. As a result, the first conductor and the second conductor can be miniaturized and the electrical characteristics can be finely adjusted by surface modification, and a highly accurate thermocouple temperature sensor can be obtained.
In addition, this thermocouple type temperature sensor can be used in a temperature range from 0 ° C. or lower to the glass transition temperature.
ここで、バナジン酸塩ガラスとしては、バナジウムを主成分又は副成分とする酸化物ガラスであって、バナジウムの他、カリウムやナトリウム等のアルカリ金属、バリウム,マグネシウム等のアルカリ土類金属、ホウ素,リン,セリウム,スズ,鉛,銅,鉄等のうちの1種若しくは複数種の構成元素の酸化物を含有するものが用いられる。
なかでも、バナジウム、バリウム及び鉄の酸化物を含有するものが好適に用いられる。これは、バナジウム、バリウム、鉄の原子が3次元的に関連しあったガラス骨格を形成させることができ、電子ホッピングによる高い電気伝導度を発現させることができ、さらに、ガラス骨格中に4価と5価のバナジウムと3価の鉄を配置できるので、電子ホッピングの確率が高められ電気伝導度を高めることができるからである。
Here, the vanadate glass is an oxide glass containing vanadium as a main component or an auxiliary component. In addition to vanadium, an alkali metal such as potassium or sodium, an alkaline earth metal such as barium or magnesium, boron, Those containing oxides of one or more constituent elements of phosphorus, cerium, tin, lead, copper, iron and the like are used.
Among these, those containing vanadium, barium and iron oxides are preferably used. This can form a glass skeleton in which atoms of vanadium, barium, and iron are three-dimensionally related, can exhibit high electrical conductivity due to electron hopping, and is further tetravalent in the glass skeleton. This is because the pentavalent vanadium and the trivalent iron can be arranged, so that the probability of electron hopping is increased and the electrical conductivity can be increased.
ここで、バナジン酸塩ガラス中の酸化バリウム(BaO)、酸化バナジウム(V2O5)、酸化鉄(Fe2O3)の比率は、ガラス転移現象を示すのであれば特に限定されるものではないが、特に、酸化バリウム(B)の酸化バナジウム(V)に対するモル比(B:V)は、5:90〜35:50にするのが好ましい。
これにより、以下のような作用が得られる。
(1)バナジウムを主骨格とした3次元構造のガラス骨格を形成できるので、熱処理を施すことによって電気伝導度を飛躍的に高めることができる。
(2)熱処理前の電子伝導性酸化物ガラスの電気伝導度のばらつきが少なくなるとともに熱処理によって結晶化し難いので、熱処理後の電子伝導性酸化物ガラスの電気伝導度を所定範囲に収めることができ生産安定性に優れる。
ここで、モル比(B:V)が5:90より小さくなると、3次元構造のガラス骨格を形成させるのが困難になるとともに均質な電子伝導性酸化物ガラスが得られ難くなり、モル比(B:V)が35:50より大きくなるとガラス化が困難になり、熱処理によって結晶化し易くなり良好な導電性が発現されなくなるため好ましくない。
Here, the ratio of barium oxide (BaO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), and iron oxide (Fe 2 O 3 ) in the vanadate glass is not particularly limited as long as it exhibits a glass transition phenomenon. In particular, the molar ratio (B: V) of barium oxide (B) to vanadium oxide (V) is preferably 5:90 to 35:50.
Thereby, the following actions are obtained.
(1) Since a glass skeleton having a three-dimensional structure having vanadium as a main skeleton can be formed, the electrical conductivity can be dramatically increased by performing heat treatment.
(2) The variation in the electric conductivity of the electron conductive oxide glass before the heat treatment is reduced and it is difficult to crystallize by the heat treatment, so that the electric conductivity of the electron conductive oxide glass after the heat treatment can be kept within a predetermined range. Excellent production stability.
Here, when the molar ratio (B: V) is smaller than 5:90, it becomes difficult to form a glass skeleton having a three-dimensional structure, and it becomes difficult to obtain a homogeneous electron conductive oxide glass. When B: V) is larger than 35:50, vitrification becomes difficult, crystallization is facilitated by heat treatment, and good conductivity is not expressed, which is not preferable.
また、バナジン酸塩ガラス中の酸化鉄(F)の酸化バナジウム(V)に対するモル比(F:V)は、5:90〜15:50にするのが好ましい。
これにより、以下のような作用が得られる。
(1)バナジウムを主骨格とした3次元構造のガラス骨格を形成できるので、熱処理によって電気伝導度を飛躍的に高めることができる。
ここで、モル比(F:V)が5:90より小さくなるとガラス化し難くなり、モル比(F:V)が15:50より大きくなると、均質なバナジン酸塩ガラスが得られ難くなるので、いずれも好ましくない。
The molar ratio (F: V) of iron oxide (F) to vanadium oxide (V) in the vanadate glass is preferably 5:90 to 15:50.
Thereby, the following actions are obtained.
(1) Since a three-dimensional glass skeleton having vanadium as the main skeleton can be formed, the electrical conductivity can be dramatically increased by heat treatment.
Here, when the molar ratio (F: V) is smaller than 5:90, it is difficult to vitrify, and when the molar ratio (F: V) is larger than 15:50, it is difficult to obtain a homogeneous vanadate glass. Neither is preferred.
また、バナジン酸塩ガラス中の酸化バナジウム(V2O5),酸化バリウム(BaO),酸化鉄(Fe2O3)の3成分系における酸化バナジウム(V2O5)は、40〜98モル%好ましくは60〜85モル%が好適である。60モル%より少なくなるにつれ、バナジウムを主骨格とするガラス骨格を維持させるのが困難になるうえ高い電気伝導度を得ることが困難になる傾向がみられ、85モル%より多くなるにつれ、相対的に副成分の含有量が減るため、副成分による電気伝導度や機械的特性等の調整機能が低下する傾向がみられる。特に、40モル%より少なくなるか98%より多くなると、これらの傾向が著しいためいずれも好ましくない。
バナジン酸塩ガラス中の上記3成分系における酸化バリウム(BaO)は、1〜40モル%好ましくは10〜30モル%が好適である。10モル%より少なくなるにつれ均質なガラス化が困難になる傾向がみられ、30モル%より多くなるにつれ機械的強度が低下しガラス化し難くなる傾向がみられる。特に、1モル%より少なくなるか40モル%より多くなると、これらの傾向が著しいためいずれも好ましくない。
バナジン酸塩ガラス中の上記3成分系における酸化鉄(Fe2O3)は、1〜20モル%好ましくは5〜20モル%が好適である。5モル%より少なくなるにつれ、鉄の価電子による電子ホッピングへの寄与が低下し電気伝導度が向上し難くなる傾向がみられ、1モル%より少なくなるとこの傾向が著しくなるため好ましくない。また、20モル%より多くなると機械的強度が低下しガラス化し難くなるため好ましくない。
特に、酸化バナジウム(V2O5)、酸化バリウム(BaO)、酸化鉄(Fe2O3)のモル比が、それぞれ60〜85モル%、10〜30モル%、5〜20モル%の範囲にあると、バナジン酸塩ガラスに熱処理を施すことによって、室温における電気伝導度を数桁以上上昇させて10−1S・cm−1以上にすることができ、熱電対式温度センサの応答性を高めることができるため好ましい。
Furthermore, vanadium oxide vanadate glass (V 2 O 5), barium oxide (BaO), vanadium oxide in the ternary iron oxide (Fe 2 O 3) (V 2 O 5) is from 40 to 98 mol % Preferably 60 to 85 mol% is suitable. As it becomes less than 60 mol%, it tends to be difficult to maintain a glass skeleton having vanadium as the main skeleton, and it is difficult to obtain high electrical conductivity. In particular, since the content of subcomponents is reduced, adjustment functions such as electrical conductivity and mechanical properties due to the subcomponents tend to be reduced. In particular, when the amount is less than 40 mol% or more than 98%, these tendencies are remarkable, which is not preferable.
The barium oxide (BaO) in the three-component system in the vanadate glass is 1 to 40 mol%, preferably 10 to 30 mol%. As the amount becomes less than 10 mol%, homogenous vitrification tends to be difficult, and as the amount exceeds 30 mol%, mechanical strength decreases and vitrification tends to become difficult. In particular, when the amount is less than 1 mol% or more than 40 mol%, these tendencies are remarkable, which is not preferable.
The iron oxide (Fe 2 O 3 ) in the three-component system in the vanadate glass is 1 to 20 mol%, preferably 5 to 20 mol%. As the content becomes less than 5 mol%, the contribution to the electron hopping by the valence electrons of iron tends to be reduced, and the electrical conductivity tends to be difficult to improve. Moreover, since it will become difficult to vitrify because mechanical strength will fall when it exceeds 20 mol%, it is unpreferable.
In particular, the molar ratios of vanadium oxide (V 2 O 5 ), barium oxide (BaO), and iron oxide (Fe 2 O 3 ) are in the range of 60 to 85 mol%, 10 to 30 mol%, and 5 to 20 mol%, respectively. In this case, by applying heat treatment to the vanadate glass, the electrical conductivity at room temperature can be increased by several orders of magnitude to 10 −1 S · cm −1 or more, and the responsiveness of the thermocouple temperature sensor Can be increased, which is preferable.
なお、バナジン酸塩ガラスは、AgI、NaI、Ag、Ag2O、In2O3、SnO、SnO2、ReO2の添加剤が添加されたものでもよい。添加剤の効果によって電気伝導度を高めることができるからである。また、AgI、NaI、Ag等に加えてCeO2等の還元防止剤を添加してもよい。これにより、AgI、NaI、Ag等の添加剤が還元されるのを防止して高い電気伝導度を維持できる。 The vanadate glass may be added with additives such as AgI, NaI, Ag, Ag 2 O, In 2 O 3 , SnO, SnO 2 and ReO 2 . This is because the electrical conductivity can be increased by the effect of the additive. In addition to AgI, NaI, Ag, etc., a reduction inhibitor such as CeO 2 may be added. Thereby, it can prevent that additives, such as AgI, NaI, Ag, are reduced, and can maintain high electrical conductivity.
バナジン酸塩ガラスに施す熱処理条件としては、ガラス化させたバナジン酸塩ガラスを加熱してガラス転移温度以上、融点以下の温度領域、好ましくは結晶化温度以上、融点以下の温度領域に保持するものが用いられる。
ここで、熱処理温度がバナジン酸塩ガラスの結晶化温度より低くなるにつれ、バナジン酸塩ガラスに与えられる熱エネルギーが小さいため、電気伝導度の増加率が小さく、また増加率にばらつきがみられる傾向が強まり、ガラス転移点未満になると、この傾向が著しくなるため好ましくない。また、熱処理温度がバナジン酸塩ガラスの融点を超えると、酸化物ガラスの溶融や結晶の析出が促進され、電気伝導度が低下するため好ましくない。
The heat treatment conditions applied to the vanadate glass are those in which the vitrified vanadate glass is heated and maintained in a temperature range above the glass transition temperature and below the melting point, preferably above the crystallization temperature and below the melting point. Is used.
Here, as the heat treatment temperature becomes lower than the crystallization temperature of the vanadate glass, the thermal energy given to the vanadate glass is small, so the rate of increase in electrical conductivity is small and the rate of increase tends to vary. When the strength becomes less than the glass transition point, this tendency becomes remarkable, which is not preferable. Moreover, when the heat treatment temperature exceeds the melting point of the vanadate glass, melting of the oxide glass and precipitation of crystals are promoted, and the electrical conductivity is lowered, which is not preferable.
熱処理を施す手段としては、例えば、電気炉等を予め熱処理温度に設定しておき炉内の温度が一定になったところで、バナジン酸塩ガラスを炉内に入れ、目標とする時間が経過したら直ちに電気炉等からバナジン酸塩ガラスを取り出し、空気や水,氷水等の流体、冷却した銅板やステンレス板,銅製やステンレス製等のローラ等の部材で冷却するものが用いられる。あるいは、上記バナジン酸塩ガラスを電気炉等の炉内で一定時間再加熱後、炉内の温度を徐々に下げたり炉内の加熱源から少しずつ遠ざけたりしてバナジン酸塩ガラスを炉内で放冷するものが用いられる。熱処理を施す炉内は空気、窒素,アルゴン等の不活性ガス雰囲気等にすることができる。 As a means for performing the heat treatment, for example, when an electric furnace or the like is set to a heat treatment temperature in advance and the temperature in the furnace becomes constant, the vanadate glass is placed in the furnace and immediately after the target time has elapsed. A vanadate glass is taken out from an electric furnace or the like and cooled by a member such as a fluid such as air, water, ice water, a cooled copper plate or stainless steel plate, or a copper or stainless steel roller. Alternatively, after reheating the vanadate glass in a furnace such as an electric furnace for a certain period of time, gradually lowering the temperature in the furnace or gradually moving away from the heating source in the furnace, the vanadate glass is placed in the furnace. What is allowed to cool is used. The inside of the furnace where the heat treatment is performed can be an atmosphere of an inert gas such as air, nitrogen, or argon.
ガラス転移点、結晶化温度、融点は、バナジン酸塩ガラスを示差熱分析(DTA)や示差走査熱量測定(DSC)等により実測することによって求めることができる。また、推定される構成成分の状態図を用いた熱力学的計算等を行うことで求めることもできる。
示差熱分析(DTA)によって結晶化温度を求める場合、結晶化の発熱ピークの中心点又は裾の高温側測点温度における温度を結晶化温度とする。また、示差熱分析(DTA)によって融点を求める場合、結晶化温度より高温における吸熱ピークの中心点における温度を融点とする。
The glass transition point, crystallization temperature, and melting point can be determined by actually measuring the vanadate glass by differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC), or the like. Moreover, it can also obtain | require by performing the thermodynamic calculation etc. using the state diagram of the estimated component.
When the crystallization temperature is determined by differential thermal analysis (DTA), the temperature at the central point or the bottom side temperature of the exothermic peak of crystallization is defined as the crystallization temperature. Moreover, when calculating | requiring melting | fusing point by a differential thermal analysis (DTA), let the temperature in the center point of the endothermic peak in higher temperature than crystallization temperature be a melting | fusing point.
熱処理条件において熱処理温度領域の保持時間としては、熱処理を経たバナジン酸塩ガラスの電気伝導度が高くなるように適宜最適な時間に設定することができる。保持時間は、バナジン酸塩ガラスの組成や熱容量、熱処理温度によっても異なるが、例えば1〜180分に設定される。保持時間が1分より短くなると、バナジン酸塩ガラスに与えられる熱エネルギーが小さいため、電気伝導度の増加率が小さく、また増加率にばらつきがみられ、180分より長くなると、結晶が析出したり溶融したりすることにより電気伝導度が低下することがあるとともに生産性が低下するため、いずれも好ましくない。 The holding time in the heat treatment temperature region under the heat treatment conditions can be appropriately set to an optimal time so that the electrical conductivity of the vanadate glass that has undergone the heat treatment is increased. The holding time varies depending on the composition, heat capacity, and heat treatment temperature of the vanadate glass, but is set to 1 to 180 minutes, for example. When the holding time is shorter than 1 minute, the thermal energy given to the vanadate glass is small, so the rate of increase in electrical conductivity is small, and the rate of increase varies, and when longer than 180 minutes, crystals precipitate. Or melting, the electrical conductivity may decrease and the productivity may decrease.
本発明の請求項2に記載の熱電対式温度センサの製造方法は、(a)第一の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第一導電体と、前記第一導電体と接合され前記第一の電子伝導性酸化物ガラスと組成及び/又は熱処理条件の異なる第二の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第二導電体とを形成する導電体形成工程と、(b)前記第一導電体及び/又は前記第二導電体にイオン照射を行うイオン照射工程と、を備え、前記第一の電子伝導性酸化物ガラス及び前記第二の電子伝導性酸化物ガラスがバナジン酸塩ガラスである構成を有している。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)電子伝導性酸化物ガラスで第一導電体及び第二導電体を形成するので、結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができるため、1100〜1180℃で焼成後700〜850℃で長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れる。
(2)第一導電体や第二導電体にイオン照射を行うイオン照射工程を備えているので、エッチング、表面変性等の微細加工を施すことができ、第一導電体や第二導電体の微細化や、表面変性による電気特性の微調整を行うことができるので、微細で高精度の熱電対式温度センサを得ることができる。
(3)第一又は第二の電子伝導性酸化物ガラスが、バナジン酸塩ガラスであるので、熱処理を施す場合、処理温度領域での保持時間が1〜180分で良く、短時間の熱処理で電気伝導度を高くできる。
The method of manufacturing a thermocouple temperature sensor according to
With this configuration, the following effects can be obtained.
(1) Since the first conductor and the second conductor are formed of the electron conductive oxide glass, the crystalline solid can be melted and rapidly cooled, vapor deposition, sputtering, glow discharge, sol-gel method, etc. Since it can be manufactured, it does not require a complicated operation such as heating at 700 to 850 ° C. for a long time after baking at 1100 to 1180 ° C., and excellent in productivity.
(2) Since the first conductor and the second conductor are provided with an ion irradiation process for irradiating ions, fine processing such as etching and surface modification can be performed, and the first conductor and the second conductor Since the electric characteristics can be finely adjusted by miniaturization or surface modification, a fine and highly accurate thermocouple temperature sensor can be obtained.
(3) Since the first or second electron conductive oxide glass is vanadate glass, when heat treatment is performed, the holding time in the treatment temperature region may be 1 to 180 minutes, and the heat treatment is performed in a short time. Electric conductivity can be increased.
ここで、導電体形成工程における電子伝導性酸化物ガラス、第一導電体、第二導電体としては、請求項1で説明したものと同様なので、説明を省略する。
Here, the electron conductive oxide glass, the first conductor, and the second conductor in the conductor forming step are the same as those described in
イオン照射工程におけるイオン照射の手段としては、イオン注入、集束イオンビーム加工等が用いられる。
第一導電体や第二導電体に照射するイオン種としては、エッチングを目的とする場合は、Ga等の液体金属、Ar,Xe,Kr等の希ガス等が用いられ、表面変性を目的とする場合は、電子伝導性酸化物ガラスの構成元素であるV,Fe,Mn,Ti,W等の遷移金属が用いられる。
As ion irradiation means in the ion irradiation step, ion implantation, focused ion beam processing, or the like is used.
For the purpose of etching, a liquid metal such as Ga or a rare gas such as Ar, Xe, or Kr is used as an ion species for irradiating the first conductor or the second conductor. In this case, transition metals such as V, Fe, Mn, Ti, and W, which are constituent elements of the electron conductive oxide glass, are used.
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の熱電対式温度センサの製造方法であって、前記第一導電体及び/又は前記第二導電体に照射されるイオン種がバナジウムである構成を有している。
この構成により、請求項2で得られる作用に加え、以下のような作用が得られる。
(1)バナジウムイオンを照射することによって、バナジン酸塩ガラス中に存在する4価と5価のバナジウムイオンの比率を調整でき、熱起電力等の電気特性を精度よく調整することができる。
Invention of
With this configuration, in addition to the operation obtained in the second aspect , the following operation can be obtained.
(1) By irradiating vanadium ions, the ratio of tetravalent and pentavalent vanadium ions present in the vanadate glass can be adjusted, and electrical characteristics such as thermoelectromotive force can be adjusted with high accuracy.
ここで、バナジウムイオンの照射量(ドーズ量)としては、102〜105ions/cm2、照射エネルギーとしては、1〜30KeVが好適に用いられる。バナジウムイオンの照射量(ドーズ量)が102ions/cm2より少なくなるか、照射エネルギーが1KeVより小さくなると、バナジン酸塩ガラスの電気特性の変化が乏しく、またイオン照射時間が長くなり生産性に欠けるため好ましくない。また、バナジウムイオンの照射量(ドーズ量)が105ions/cm2より多くなるか、照射エネルギーが30KeVより大きくなっても、イオン照射のためのエネルギーが増すばかりでイオン照射効果はほとんど変わらず、省エネルギー性に欠けるため好ましくない。 Here, 10 2 to 10 5 ions / cm 2 is suitably used as the irradiation amount (dose amount) of vanadium ions, and 1 to 30 KeV is suitably used as the irradiation energy. When the irradiation amount (dose amount) of vanadium ions is less than 10 2 ions / cm 2 or the irradiation energy is less than 1 KeV, the change in the electrical properties of the vanadate glass is poor, and the ion irradiation time becomes longer and the productivity is increased. Is not preferable. Further, even if the irradiation amount (dose amount) of vanadium ions is larger than 10 5 ions / cm 2 or the irradiation energy is larger than 30 KeV, the ion irradiation effect is increased and the ion irradiation effect is hardly changed. It is not preferable because it lacks energy saving.
バナジウムイオン照射後、ガラスの軟化点以下の温度で熱処理を行うのが好ましい。ガラス骨格を安定化させ電気特性を安定化させるためである。 After the vanadium ion irradiation, heat treatment is preferably performed at a temperature below the softening point of the glass. This is to stabilize the glass skeleton and the electrical characteristics.
以上のように、本発明の熱電対式温度センサ及びその製造方法によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項1に記載の発明によれば、
(1)電子伝導性酸化物ガラスで形成されているので、耐食性、耐薬品性に優れるとともに耐酸化性にも優れており、金属製保護管等を用いなくても排ガス中でも特性が劣化し難く耐久性に優れた熱電対式温度センサを提供できる。
(2)電子伝導性酸化物ガラスは結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができ、第一導電体と第二導電体を形成する二種類の電子伝導性酸化物ガラスの組成や熱処理温度を異ならせることによって熱電対を形成できるため、1100〜1180℃で焼成後700〜850℃で長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れた熱電対式温度センサを提供できる。
(3)電子伝導性酸化物ガラスは集束イオンビーム(FIB)加工やレーザー加工等を用いて加工しても劈開等が生じないため、容易に1μm程度やそれ以下の超微細加工をすることができ、微細な対象領域の温度を精度良く測定することができる熱電対式温度センサを提供できる。
(4)バナジン酸塩ガラスは高い電気伝導度を有しており、さらにガラス化させた後に熱処理を施すことによって、室温において10 -1 S・cm -1 以上の高電気伝導度を発現できるため応答が速く、また熱起電力が大きいため感度が高く高精度の熱電対式温度センサを提供できる。
As described above, according to the thermocouple temperature sensor and the manufacturing method thereof of the present invention, the following advantageous effects can be obtained.
According to the invention of
(1) Since it is made of electron-conducting oxide glass, it has excellent corrosion resistance and chemical resistance, as well as excellent oxidation resistance, and its characteristics are not easily degraded even in exhaust gas without using a metal protective tube. A thermocouple type temperature sensor with excellent durability can be provided.
(2) Electron conductive oxide glass can be manufactured by extremely simple methods such as melting and quenching of crystalline solids, vapor deposition, sputtering, glow discharge, sol-gel, etc. Thermocouples can be formed by differentiating the composition and heat treatment temperature of the two types of electron-conducting oxide glasses that form the body. Therefore, after baking at 1100 to 1180 ° C., heating at 700 to 850 ° C. for a long time makes a semiconductor. Therefore, it is possible to provide a thermocouple type temperature sensor excellent in productivity without requiring a complicated operation.
(3) Since the electron-conductive oxide glass is not cleaved even when processed using focused ion beam (FIB) processing, laser processing, etc., it can be easily processed to ultra fine processing of about 1 μm or less. It is possible to provide a thermocouple type temperature sensor that can accurately measure the temperature of a fine target region.
(4) Vanadate glass has high electrical conductivity, and can be made to exhibit high electrical conductivity of 10 −1 S · cm −1 or more at room temperature by virtue of heat treatment after vitrification. Since the response is fast and the thermoelectromotive force is large, it is possible to provide a thermocouple temperature sensor with high sensitivity and high accuracy.
請求項2に記載の発明によれば、
(1)電子伝導性酸化物ガラスで第一導電体及び第二導電体を形成するので、結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができるため、1100〜1180℃で焼成後700〜850℃で長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れた熱電対式温度センサの製造方法を提供できる。
(2)第一導電体や第二導電体にイオン照射を行うイオン照射工程を備えているので、エッチング、表面変性等の微細加工を施すことができ、第一導電体や第二導電体の微細化や、表面変性による電気特性の微調整を行うことができるので、微細で高精度の熱電対式温度センサが得られる熱電対式温度センサの製造方法を提供できる。
(3)熱処理を施す場合、熱処理温度領域の保持時間が1〜180分に設定されるので、短時間の熱処理で電気伝導度を高くできる熱電対式温度センサの製造方法を提供できる。
According to invention of
(1) Since the first conductor and the second conductor are formed of the electron conductive oxide glass, the crystalline solid can be melted and rapidly cooled, vapor deposition, sputtering, glow discharge, sol-gel method, etc. A method of manufacturing a thermocouple temperature sensor having excellent productivity without requiring a complicated operation such as heating to 700 to 850 ° C. for a long time after baking at 1100 to 1180 ° C. Can be provided.
(2) Since the first conductor and the second conductor are provided with an ion irradiation process for irradiating ions, fine processing such as etching and surface modification can be performed, and the first conductor and the second conductor Since the electrical characteristics can be finely adjusted by miniaturization or surface modification, a method of manufacturing a thermocouple temperature sensor that can obtain a thermocouple temperature sensor that is fine and highly accurate can be provided.
(3) When the heat treatment is performed, the holding time of the heat treatment temperature region is set to 1 to 180 minutes, so that it is possible to provide a method of manufacturing a thermocouple temperature sensor that can increase the electrical conductivity by a short heat treatment.
請求項3に記載の発明によれば、請求項2の効果に加え、
(1)バナジウムを照射することによって、バナジン酸塩ガラス中に存在する4価と5価のバナジウムイオンの比率を調整でき、熱起電力等の電気特性を精度よく調整することができる熱電対式温度センサの製造方法を提供できる。
According to invention of
(1) A thermocouple type that can adjust the ratio of tetravalent and pentavalent vanadium ions present in the vanadate glass by irradiating vanadium, and can accurately adjust the electrical characteristics such as thermoelectromotive force. A method for manufacturing a temperature sensor can be provided.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
始めに、示差熱分析用の試料を作製するため、酸化バリウム(BaO)が20モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が70モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量し、メノウ乳鉢で混合したのち白金るつぼに入れた。白金るつぼに入れた混合物を1000℃に昇温した電気炉内で大気中90分間加熱し溶融させて示差熱分析用の溶融物を得た。この溶融物を厚さ10mmのステンレス板の上に流し出して室温まで冷却し、板状に固化したガラスを得た。
このガラスを棒状に切り出し試料を作製し、示差熱分析(DTA)を行った。示差熱分析(DTA)は、基準物質にαアルミナを使用し窒素雰囲気中で10℃/分の昇温速度で行った。示差熱分析の結果、ガラス転移温度は328℃、結晶化温度は392℃、融点は540℃であることがわかった。
Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. The present invention is not limited to these examples.
Example 1
First, in order to prepare a sample for differential thermal analysis, barium oxide (BaO) is 20 mol%, divanadium pentoxide (V 2 O 5 ) is 70 mol%, and ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) is Each reagent-grade reagent was weighed so that the total amount was 10 g at 10 mol%, mixed in an agate mortar, and then placed in a platinum crucible. The mixture in the platinum crucible was heated and melted in the atmosphere for 90 minutes in an electric furnace heated to 1000 ° C. to obtain a melt for differential thermal analysis. This melt was poured onto a stainless steel plate having a thickness of 10 mm and cooled to room temperature to obtain a glass solidified into a plate shape.
The glass was cut into a rod shape to prepare a sample, and differential thermal analysis (DTA) was performed. Differential thermal analysis (DTA) was performed at a heating rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere using α-alumina as a reference material. As a result of differential thermal analysis, it was found that the glass transition temperature was 328 ° C., the crystallization temperature was 392 ° C., and the melting point was 540 ° C.
次に、熱電対式温度センサを作製するため、同様に、酸化バリウム(BaO)が20モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が70モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量し、白金るつぼ内で同様に溶融して熱電対式温度センサ用の溶融物を得た。幅3mm、長さ25mm、深さ6mmの白金製のボート(以下、第1ボートという。)を準備し、第1ボートを電気炉で350℃に加熱した後、電気炉から取り出して第1ボートに前記溶融物の約半分を流し込んで固化させた。
溶融物を固化させた第1ボートを再び350℃に維持された電気炉内に戻した後、60分かけて電気炉の温度を、ガラスの結晶化温度以上融点以下の500℃まで上昇させた。電気炉を500℃で20分間保持する熱処理を行った後、電気炉のスイッチを切って第1ボートを電気炉内で放冷した。電気炉内を室温になるまで冷却させたら電気炉から第1ボートを取り出し、棒状に固化したガラス(第一の電子伝導性酸化物ガラス)を第1ボートから取り出した。
取り出した棒状のガラス(第一の電子伝導性酸化物ガラス)を、幅3mm、長さ50mm、深さ6mmの別の白金製のボート(以下、第2ボートという。)の半分に入れ、第2ボートを350℃に維持された電気炉内に入れて加熱した後、電気炉から取り出して第2ボートの残り半分に溶融物の残りを流し込み、ガラス(第一の電子伝導性酸化物ガラス)の端面に第二の電子伝導性酸化物ガラス用の溶融物を接触させた。
第2ボートを再び350℃に維持された電気炉内に戻した後、30分かけて電気炉の温度を、ガラスの結晶化温度とほぼ同じ400℃まで上昇させた。電気炉を400℃で60分間保持する熱処理を行った後、電気炉のスイッチを切って第2ボートを電気炉内で放冷した。電気炉内を室温になるまで冷却させたら電気炉から第2ボートを取り出し、第2ボート内から、第一の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第一導電体と、第一導電体と接合され第一の電子伝導性酸化物ガラスと熱処理条件は異なるが組成は同じ第二の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第二導電体と、を備えた実施例1の熱電対式温度センサを取り出した。
Next, in order to produce a thermocouple type temperature sensor, similarly, 20 mol% of barium oxide (BaO), 70 mol% of divanadium pentoxide (V 2 O 5 ), and ferric trioxide (Fe 2 O 3). ) Was weighed so that the total amount would be 10 g and the total amount was 10 g, and was similarly melted in a platinum crucible to obtain a melt for a thermocouple temperature sensor. A platinum boat (hereinafter referred to as the first boat) having a width of 3 mm, a length of 25 mm, and a depth of 6 mm was prepared, and the first boat was heated to 350 ° C. in an electric furnace and then taken out from the electric furnace. About half of the melt was poured into a solid and solidified.
After returning the first boat in which the melt was solidified to the electric furnace maintained at 350 ° C. again, the temperature of the electric furnace was raised to 500 ° C. above the crystallization temperature of the glass and below the melting point over 60 minutes. . After performing a heat treatment for holding the electric furnace at 500 ° C. for 20 minutes, the electric furnace was turned off and the first boat was allowed to cool in the electric furnace. After the inside of the electric furnace was cooled to room temperature, the first boat was taken out from the electric furnace, and the glass solidified in a rod shape (first electron conductive oxide glass) was taken out from the first boat.
The rod-shaped glass (first electron conductive oxide glass) taken out is put in a half of another platinum boat (hereinafter referred to as a second boat) having a width of 3 mm, a length of 50 mm, and a depth of 6 mm. 2 boats were placed in an electric furnace maintained at 350 ° C. and heated, then removed from the electric furnace and poured the remainder of the melt into the other half of the second boat, glass (first electronically conductive oxide glass) The melt for the second electron-conducting oxide glass was brought into contact with the end face of the glass.
After returning the second boat into the electric furnace maintained at 350 ° C. again, the temperature of the electric furnace was raised to 400 ° C., which is approximately the same as the crystallization temperature of glass, over 30 minutes. After performing the heat processing which hold | maintains an electric furnace at 400 degreeC for 60 minute (s), the electric furnace was switched off and the 2nd boat was stood to cool in an electric furnace. When the inside of the electric furnace is cooled to room temperature, the second boat is taken out from the electric furnace, and from the second boat, the first conductor formed of the first electron conductive oxide glass, the first conductor, A thermocouple temperature of Example 1 comprising: a second conductor formed of a second electron-conducting oxide glass that is bonded and has the same composition as the first electron-conducting oxide glass but having the same heat treatment conditions The sensor was removed.
図1は実施例1の熱電対式温度センサの斜視図である。
図中、1は実施例1の熱電対式温度センサ、2は第一の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第一導電体、3は第一導電体2と接合され第一の電子伝導性酸化物ガラスと熱処理条件は異なるが組成は同じ第二の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第二導電体である。
実施例1の熱電対式温度センサの厚さは3mm、幅は3mmであり、第一導電体と第二導電体の接合部は剥離することもなく、ピンホール等の欠陥も認められなかった。
FIG. 1 is a perspective view of a thermocouple temperature sensor according to the first embodiment.
In the figure, 1 is a thermocouple temperature sensor of Example 1, 2 is a first conductor formed of a first electron conductive oxide glass, and 3 is a first electron conductor bonded to the
The thickness of the thermocouple temperature sensor of Example 1 was 3 mm, the width was 3 mm, the joint between the first conductor and the second conductor was not peeled off, and no defects such as pinholes were observed. .
実施例1の熱電対式温度センサの熱起電力を測定するため、接合部を75℃に加熱する一方、端部を25℃に保持して温度差を50℃にした場合、両端部間に発生した熱起電力は67mVであった。一方、JISの熱起電力表から計算すると、同じ温度差におけるクロメル−アルメル熱電対(K熱電対)の熱起電力は2.1mVであり、クロメル−コンスタンタン熱電対(E熱電対)の熱起電力は3.2mVである。
よって、実施例1の熱電対式温度センサの熱起電力は、クロメル−アルメル熱電対の約30倍であり、クロメル−コンスタンタン熱電対の約20倍であり、著しく高い熱起電力を実現できることが明らかになった。
In order to measure the thermoelectromotive force of the thermocouple temperature sensor of Example 1, when the junction is heated to 75 ° C., the end is held at 25 ° C. and the temperature difference is 50 ° C., the gap between both ends The generated thermoelectromotive force was 67 mV. On the other hand, when calculated from the JIS thermoelectromotive force table, the thermoelectromotive force of the chromel-alumel thermocouple (K thermocouple) at the same temperature difference is 2.1 mV, and the thermoelectromotive force of the chromel-constantan thermocouple (E thermocouple). The power is 3.2 mV.
Therefore, the thermoelectromotive force of the thermocouple type temperature sensor of Example 1 is about 30 times that of the chromel-alumel thermocouple and about 20 times that of the chromel-constantan thermocouple, so that a remarkably high thermoelectromotive force can be realized. It was revealed.
なお、実施例1の熱電対式温度センサの製造方法においては、ボートに入れたガラス(第一の電子伝導性酸化物ガラス)の端面に第二の電子伝導性酸化物ガラス用の溶融物を流し込み接触させた後、このボートを電気炉に入れて熱処理を行ったが、熱処理方法は、この方法に限定するものではない。例えば、ボートからガラスを取り出し、第一の電子伝導性酸化物ガラスと第二の電子伝導性酸化物ガラスとをそれぞれ別の小型の管状ヒータ等に挿入し、それぞれを異なる条件で熱処理する場合もある。この場合も同様の作用が得られる。 In addition, in the manufacturing method of the thermocouple type temperature sensor of Example 1, the melt for 2nd electron conductive oxide glass was added to the end surface of the glass (1st electron conductive oxide glass) put into the boat. After the pouring contact, this boat was put into an electric furnace and subjected to heat treatment, but the heat treatment method is not limited to this method. For example, when glass is taken out from a boat, the first electron conductive oxide glass and the second electron conductive oxide glass are inserted into separate small tubular heaters, respectively, and each is heat-treated under different conditions. is there. In this case, the same effect can be obtained.
(実施例2)
実施例1の熱電対式温度センサの第一導電体と第二導電体の接合部を、ガリウムをイオン源とする収束イオンビームで切削加工し、幅10μm、厚さ300μmに微細化した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の熱電対式温度センサを得た。
実施例2の熱電対式温度センサの接合部を75℃に加熱する一方、端部を25℃に保持して温度差を50℃にした場合、両端部間に発生した熱起電力も、実施例1とほぼ同じ約60mVであった。
以上のことから、本実施例の熱電対式温度センサは、熱起電力が高いだけでなく微細加工が極めて容易なため、微細な対象領域の温度を精度良く測定できることが明らかである。
(Example 2)
Except that the junction of the first conductor and the second conductor of the thermocouple temperature sensor of Example 1 was cut with a focused ion beam using gallium as an ion source and refined to a width of 10 μm and a thickness of 300 μm. In the same manner as in Example 1, the thermocouple type temperature sensor of Example 2 was obtained.
When the junction of the thermocouple temperature sensor of Example 2 is heated to 75 ° C, while the end is held at 25 ° C and the temperature difference is 50 ° C, the thermoelectromotive force generated between both ends is also implemented. The voltage was about 60 mV which was almost the same as in Example 1.
From the above, it is clear that the thermocouple type temperature sensor of this embodiment not only has a high thermoelectromotive force, but is very easy to perform microfabrication, and therefore can accurately measure the temperature of a fine target region.
(実施例3)
始めに、示差熱分析用の試料を作製するため、酸化バリウム(BaO)が30モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が60モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量し、メノウ乳鉢で混合したのち白金るつぼに入れた。白金るつぼに入れた混合物を1000℃に昇温した電気炉内で大気中90分間加熱し溶融させて示差熱分析用の溶融物を得た。この溶融物を厚さ10mmのステンレス板の上に流し出して室温まで冷却し、板状に固化したガラスを得た。
このガラスを棒状に切り出し試料を作製し、示差熱分析(DTA)を行った。示差熱分析(DTA)は、基準物質にαアルミナを使用し窒素雰囲気中で10℃/分の昇温速度で行った。示差熱分析の結果、ガラス転移温度は356℃、結晶化温度は433℃、融点は563℃であることがわかった。
次に、熱電対式温度センサの第一導電体を作製するため、同様に酸化バリウム(BaO)が30モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が60モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量し、白金るつぼ内で同様に溶融して第一導電体用の溶融物を得た。
同様に、熱電対式温度センサの第二導電体を作製するため、酸化バリウム(BaO)が20モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が70モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gで、実施例1と同じ組成になるように試薬特級の各試薬を秤量し、白金るつぼ内で同様に溶融して第二導電体用の溶融物を得た。
実施例1と同様の第1ボートを電気炉で350℃に加熱した後、第1ボートを電気炉から取り出して第一導電体用の溶融物を流し込んだ。第一導電体用の溶融物が固化した後、固化物を第2ボートの半分に入れ、第2ボートの残り半分に第二導電体用の溶融物を流し込んだ。
第2ボートを再び350℃に維持された電気炉内に戻した後、60分かけて電気炉の温度を、二種類のガラスの結晶化温度以上融点以下の500℃まで上昇させた。電気炉を500℃で60分間保持する熱処理を行った後、電気炉のスイッチを切って第2ボートを電気炉内で放冷した。電気炉内を室温になるまで冷却させたら電気炉から第2ボートを取り出し、第一の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第一導電体と、第一導電体と接合され第一の電子伝導性酸化物ガラスと組成は異なるが熱処理条件は同じ第二の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第二導電体と、を備えた実施例3の熱電対式温度センサを取り出した。
(Example 3)
First, to prepare a sample for differential thermal analysis, barium oxide (BaO) is 30 mol%,
The glass was cut into a rod shape to prepare a sample, and differential thermal analysis (DTA) was performed. Differential thermal analysis (DTA) was performed at a heating rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere using α-alumina as a reference material. As a result of differential thermal analysis, it was found that the glass transition temperature was 356 ° C., the crystallization temperature was 433 ° C., and the melting point was 563 ° C.
Next, in order to produce a first conductor of the thermocouple type temperature sensor, likewise barium oxide (BaO) is 30 mol%, vanadium pentoxide (
Similarly, for making the second conductors of the thermocouple type temperature sensor, barium oxide (BaO) is 20 mol%,
A first boat similar to that in Example 1 was heated to 350 ° C. in an electric furnace, and then the first boat was taken out of the electric furnace and poured into the melt for the first conductor. After the melt for the first conductor solidified, the solidified product was placed in half of the second boat, and the melt for second conductor was poured into the other half of the second boat.
After returning the second boat into the electric furnace maintained at 350 ° C. again, the temperature of the electric furnace was increased to 500 ° C. above the crystallization temperature of the two types of glass and below the melting point over 60 minutes. After performing the heat processing which hold | maintains an electric furnace at 500 degreeC for 60 minute (s), the electric furnace was switched off and the 2nd boat was stood to cool in an electric furnace. After the inside of the electric furnace is cooled to room temperature, the second boat is taken out from the electric furnace, the first conductor formed of the first electron conductive oxide glass, and the first electron joined to the first conductor. The thermocouple type temperature sensor of Example 3 including a second conductor formed of a second electron conductive oxide glass having a composition different from that of the conductive oxide glass but having the same heat treatment conditions was taken out.
実施例3の熱電対式温度センサの熱起電力を測定するため、接合部を75℃に加熱する一方、端部を25℃に保持して温度差を50℃にした場合、両端部間に発生した熱起電力は35mVであった。よって、実施例3の熱電対式温度センサの熱起電力は、同じ温度差におけるクロメル−アルメル熱電対の約20倍であり、クロメル−コンスタンタン熱電対の約10倍であり、著しく高い熱起電力を実現できることが明らかになった。 In order to measure the thermoelectromotive force of the thermocouple temperature sensor of Example 3, when the junction was heated to 75 ° C., while the end was held at 25 ° C. and the temperature difference was 50 ° C., between both ends The generated thermoelectromotive force was 35 mV. Therefore, the thermoelectromotive force of the thermocouple temperature sensor of Example 3 is about 20 times that of the chromel-alumel thermocouple at the same temperature difference, and about 10 times that of the chromel-constantan thermocouple. It became clear that can be realized.
(実施例4)
酸化バリウム(BaO)が20モル%、五酸化二バナジウム(V2O5)が70モル%、三酸化二鉄(Fe2O3)が10モル%で全量が10gになるように試薬特級の各試薬を秤量し、白金るつぼに入れた。白金るつぼに入れた混合物を1000℃に昇温した電気炉内で大気中90分間加熱して溶融させた。溶融物の半分を実施例1で説明した第1ボートに流し出して、ガラス転移温度以下まで急冷した後に第1ボートから取り出して、棒状の第一の電子伝導性酸化物ガラスを得た。残った溶融物の半分を第1ボートに流し出して、ガラス転移温度以下まで急冷した後に取り出して、棒状の第二の電子伝導性酸化物ガラスを得た。
次いで、第一の電子伝導性酸化物ガラスを、大気中で、結晶化温度以上融点以下の400℃で1時間再加熱した。また、第二の電子伝導性酸化物ガラスを、大気中で、結晶化温度以上融点以下の400℃で30分再加熱した。
再加熱を行った第一の電子伝導性酸化物ガラスの端面に導電性接着剤(ドータイト、藤倉化成製)を塗布した後、第二の電子伝導性酸化物ガラスの端面を突き合わせ、それを400℃で30分間加熱して接着し、第一の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第一導電体と、第一の電子伝導性酸化物ガラスと熱処理条件の異なる第二の電子伝導性酸化物ガラスで形成され第一導電体と接合された第二導電体と、を備えた実施例4の熱電対式温度センサを得た。
Example 4
Special reagent grades such that barium oxide (BaO) is 20 mol%, divanadium pentoxide (V 2 O 5 ) is 70 mol%, diiron trioxide (Fe 2 O 3 ) is 10 mol% and the total amount is 10 g. Each reagent was weighed and placed in a platinum crucible. The mixture placed in the platinum crucible was melted by heating in the atmosphere for 90 minutes in an electric furnace heated to 1000 ° C. Half of the melt was poured into the first boat described in Example 1 and rapidly cooled to below the glass transition temperature, and then removed from the first boat to obtain a rod-shaped first electron conductive oxide glass. Half of the remaining melt was poured out into the first boat, rapidly cooled to below the glass transition temperature, and then taken out to obtain a rod-like second electron conductive oxide glass.
Next, the first electron-conducting oxide glass was reheated in the atmosphere at 400 ° C. which is not lower than the crystallization temperature and not higher than the melting point for 1 hour. Further, the second electron conductive oxide glass was reheated in the atmosphere at 400 ° C., which is not lower than the crystallization temperature and not higher than the melting point, for 30 minutes.
After applying a conductive adhesive (Dotite, manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.) to the end face of the first electron conductive oxide glass that has been reheated, the end face of the second electron conductive oxide glass is abutted and 400 Heated at 30 ° C. for 30 minutes for bonding, the first conductor formed of the first electron conductive oxide glass, and the second electron conductive oxidation with different heat treatment conditions from the first electron conductive oxide glass The thermocouple type temperature sensor of Example 4 provided with the 2nd conductor joined with the 1st conductor formed with physical glass was obtained.
図2は実施例4の熱電対式温度センサの斜視図である。
図中、1aは実施例4の熱電対式温度センサ、2aは第一の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第一導電体、3aは第一の電子伝導性酸化物ガラスと熱処理条件は異なるが組成は同じ第二の電子伝導性酸化物ガラスで形成された第二導電体、4は第一導電体2aと第二導電体3aとを接合して接合部を形成した導電性接着剤である。
実施例4の熱電対式温度センサの接合部を75℃に加熱する一方、端部を25℃に保持して温度差を50℃にした場合、両端部間に発生した熱起電力は35mVであった。よって、実施例4の熱電対式温度センサの熱起電力は、同じ温度差におけるクロメル−アルメル熱電対の約20倍であり、クロメル−コンスタンタン熱電対の約10倍であり、著しく高い熱起電力を実現できることが明らかになった。
FIG. 2 is a perspective view of the thermocouple temperature sensor according to the fourth embodiment.
In the figure, 1a is the thermocouple temperature sensor of Example 4, 2a is the first conductor formed of the first electron conductive oxide glass, 3a is the first electron conductive oxide glass and the heat treatment conditions are A second conductive material made of a second electron conductive oxide glass which is different but has the same composition, 4 is a conductive adhesive formed by joining the first conductive material 2a and the second conductive material 3a to form a joint. It is.
When the junction of the thermocouple temperature sensor of Example 4 is heated to 75 ° C., while the end is held at 25 ° C. and the temperature difference is 50 ° C., the thermoelectromotive force generated between both ends is 35 mV. there were. Therefore, the thermoelectromotive force of the thermocouple type temperature sensor of Example 4 is about 20 times that of the chromel-alumel thermocouple at the same temperature difference, and about 10 times that of the chromel-constantan thermocouple. It became clear that can be realized.
(実施例5)
実施例2の熱電対式温度センサの第一導電体に、照射エネルギー20KeV、ドーズ量103ions/cm2でバナジウムイオンを注入した。次いで、電気炉で軟化点以下の400℃,30分間の熱処理を行った。これにより、実施例5の熱電対式温度センサを得た。
実施例5の熱電対式温度センサの接合部を75℃に加熱する一方、端部を25℃に保持して温度差を50℃にした場合、両端部間に発生した熱起電力は、約130mVであった。これは、実施例2の熱電対式温度センサの熱起電力と約70mV異なる値である。
これにより、バナジウムイオンを照射することによって、熱起電力を調整できることが明らかになった。
(Example 5)
Vanadium ions were implanted into the first conductor of the thermocouple temperature sensor of Example 2 at an irradiation energy of 20 KeV and a dose of 10 3 ions / cm 2 . Next, heat treatment was performed for 30 minutes at 400 ° C. below the softening point in an electric furnace. Thereby, the thermocouple type temperature sensor of Example 5 was obtained.
When the junction of the thermocouple temperature sensor of Example 5 is heated to 75 ° C, while the end is held at 25 ° C and the temperature difference is 50 ° C, the thermoelectromotive force generated between both ends is about It was 130 mV. This is a value different from the thermoelectromotive force of the thermocouple temperature sensor of Example 2 by about 70 mV.
Thereby, it became clear that thermoelectromotive force can be adjusted by irradiating vanadium ion.
以上の実施例によれば、結晶性固体の溶融急冷等の極めて簡便な方法で製造することができるため煩雑な操作を要さず生産性に優れ、また熱起電力が高く高感度であり、さらに容易にエッチング等の微細加工を施すことができるので、微細で高精度の熱電対式温度センサが得られることが明らかになった。 According to the above examples, since it can be produced by an extremely simple method such as melting and quenching of a crystalline solid, it is excellent in productivity without requiring complicated operation, and has a high thermoelectromotive force and high sensitivity. Further, since it was possible to easily perform fine processing such as etching, it became clear that a fine and highly accurate thermocouple temperature sensor could be obtained.
本発明は、熱電対式温度センサ及びその製造方法に関し、耐食性、耐薬品性に優れるとともに、耐酸化性にも優れるため排ガス中でも特性が劣化し難く耐久性に優れ、また結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができるため、長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れる熱電対式温度センサを提供でき、また結晶性固体の溶融急冷や蒸着法,スパッタ法,グロー放電法,ゾルゲル法等の極めて簡便な方法で製造することができるため、長時間加熱して半導体化する等の煩雑な操作を要さず生産性に優れ、さらにエッチング、表面変性等の微細加工を施すことによって、微細化や表面変性による電気特性の微調整を行うことができるので、微細で高精度の熱電対式温度センサが得られる熱電対式温度センサの製造方法を提供できる。 The present invention relates to a thermocouple temperature sensor and a method for producing the same, and has excellent corrosion resistance and chemical resistance, and also excellent oxidation resistance, so that the characteristics are hardly deteriorated even in exhaust gas, and the crystalline solid is rapidly cooled. Can be manufactured by extremely simple methods such as vapor deposition, sputtering, glow discharge, sol-gel, etc., so that it does not require complicated operations such as heating to semiconductors for a long time and has excellent productivity Temperature sensors can be provided and can be manufactured by extremely simple methods such as melting and quenching of crystalline solids, vapor deposition, sputtering, glow discharge, sol-gel, etc. It is excellent in productivity without requiring complicated operations, and by performing fine processing such as etching and surface modification, it is possible to finely adjust electrical characteristics by miniaturization and surface modification. Precision thermocouple type temperature sensor can be provided a method for producing a thermocouple type temperature sensor obtained.
1,1a 熱電対式温度センサ
2,2a 第一導電体
3,3a 第二導電体
4 導電性接着剤
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